基于復合通道的SAL-10型機旁監控箱設計

史斌杰，都勁松，黃 滔，李文榮

● （中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

基于復合通道的SAL-10型機旁監控箱設計

史斌杰，都勁松，黃 滔，李文榮

● （中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

SAL-10型機旁監控箱是以XILINX公司的XC3S500E-FG320 FPGA微處理芯片為核心組成的一個智能化監控控制系統，能夠實現對柴油機進行較復雜的邏輯控制以及對柴油機全部參數的監測功能。配套的人機交互界面不僅可以實現對機旁監控箱的各類參數屬性進行在線設置等基本功能，而且對界面的外觀和可操作性進行了人性化的設計。針對不同柴油機測點要求的不同，采用了復合通道設計。無論各種類型參數的數量多少，只要柴油機總測點數小于采集通道數，就能滿足監測全部參數的要求。

復合通道；監控箱；柴油機

0 引言

柴油機動力裝置在船舶動力裝置中占最重要的地位，在2000t以上的民用運輸船舶中，總艘數達到98%以上，裝船總功率達到90%以上[1]。柴油機是船舶的重要動力裝置，是船舶航行的關鍵。而柴油機機旁監控箱是現代化船舶動力系統的關鍵設備之一，是保障現代船舶安全航行的一個必不可少的重要裝置。近年來，對船舶航行安全性與柴油機運行穩定性要求越來越高，而柴油機機旁監控箱僅僅對柴油機實施簡單控制以及某幾個重要參數的監測已經不能滿足相關需求。以數字化為依托的柴油機機旁監控箱成為必然，并在未來的發展中將占據重要的地位，成為其發展的一個重要的方向[2-3]。

伴隨自動控制技術和計算機技術高速發展，由中國船舶重工集團公司第七一一研究所自主研發的SAL-10型機旁監控箱可以完成對柴油機進行較復雜的邏輯控制以及對柴油機全部參數的監測。本文圍繞SAL-10型機旁監控箱的設計，介紹其獨特的復合通道以及人性化的界面設計。

1 機旁監控箱系統設計

SAL-10型機旁監控箱是以 XILINX公司的XC3S500E-FG320 FPGA微處理芯片為核心組成一個智能化監控控制系統(見圖1)。采用現場總線網絡將操作和報警顯示單元、數據采集和控制單元聯系起來，并采用標準化的硬件、軟件模塊，實現對柴油機的啟動/停車、安全保護的自動控制和對柴油機各種運行參數的實時監測、報警、顯示。同時把采集到的柴油機各種運行參數通過RS485/422總線與上層監測微機進行數據交換，還能通過設置在RS485/422的總線連接PC機來實現人機交互界面遠程對監測、控制參數進行監控、設定、修改，以達到優化的控制效果。

圖1 機旁監控箱系統原理框圖

采集控制模塊是整個系統的核心，它具備控制和監測功能。控制功能包括：起動控制、遠程起動控制、停車控制、調速、控制部位轉換和一些其他的控制。 監測功能是將柴油機送來的各種壓力、溫度、轉速傳感器信號和開關量信號由機旁控制箱進行模/數變換，數據采集，邏輯處理后通過現場總線送參數顯示單元上的液晶屏進行參數顯示、報警。溫度、壓力、轉速等顯示信號及報警信號通過總線送集控室。同時，需具備傳感器故障診斷和通訊故障診斷功能。由于不同柴油機監控系統的各種類型測點數量是不同的，所以采集控制模塊采用了新型復合通道設計（后續詳細論述），使得在總測點數量滿足要求的情況下，無論各種類型測點數量為多少，機旁監控箱都能滿足要求。

安全保護模塊是相對于采集控制模塊而獨立存在的一套系統，其信號采集也相對獨立，主要采集導致柴油機緊急停車的信號，如超速、濾后進機油壓過低、淡水出機溫度過高等重要報警參數，并可以輸出報警開關量信號給控制與監測系統，可通過邏輯判斷及一些保護措施輸出緊急停車信號給柴油機。安全保護模塊是基于 XILINX XC3S500E-VQ100微處理器為核心組成的一個安保系統。16路繼電器輸出信號經過光隔后直接由繼電器輸出；4路開關量信號（越控、緊停、復位、應答）經過光隔后直接輸入至FPGA的I/O口。另外4路開關量信號輸入后經過斷線檢測電路后進入到光隔后直接輸入至FPGA的I/O口，4路轉速脈沖信號輸入后經過調理電路后進入到光隔，然后直接輸入至FPGA的I/O口。

液晶顯示模塊是機旁監控箱的顯示和操作界面，通過現場總線與采集控制模塊相連接。采集控制模塊將柴油機的參數通過現場總線送至液晶顯示模塊，由液晶顯示模塊上的液晶屏進行參數顯示。通過液晶顯示模塊上的控制組件控制柴油機的信號（如：啟動、停車、加減速等）通過現場總線送至采集控制模塊。同時，液晶顯示模塊還具有參數存儲讀取功能。液晶顯示模塊將重要參數進行定時存儲，用戶通過液晶顯示模塊上的以太網接口將存儲的數據讀取出來。

重要參數顯示模塊是以Philips公司的LPC2292微處理芯片為核心組成的一個模塊，通過現場總線與采控模塊進行數據通訊。重要參數顯示模塊將采集控制模塊送到的柴油機參數通過光柱直觀地顯示，光柱選用電壓輸入型的，通過LPC2292直接DAC輸出驅動光柱。

電源處理模塊是將外部系統提供的主、備兩路 24V直流電源通過兩個繼電器后合成一路24V直流電源輸出，然后經過COSEL公司的CBS2002424電源模塊隔離轉換成 24V直流電壓，為整個機旁監控箱各個功能模塊提供24V直流電源。同時，24V直流電源經過兩個 Mornsun公司的VRB2405LD-30W轉換出來2路獨立的直流5V電壓，為整個機旁監控箱各個功能模塊提供1路模擬5V直流電源和1路數字5V直流電源。同時，當主電源或備用電源失電時，使繼電器觸點動作，送出開關量信號，達到主、備電源失電報警功能。

2 人機交互界面設計

人機交互界面的作用就是提供友善、良好的平臺，供操作使用人員方便、明了的與計算機應用軟件交互，實現實時控制、監測等功能。

SAL-10型機旁監控箱配套的人機交互界面（見圖2）不僅可以實現對機旁監控箱各類參數的報警限值、報警延時、線性校正等進行在線設置等基本功能，而且對界面的外觀和可操作性進行了更加人性化的設計。

圖2 人機交互界面

以往的人機交互界面通常需要一定的運行環境[4-6]，例如，NET等支持軟件。這樣就提高了調試電腦的配置要求，并且不能夠做到隨時隨地和任一電腦實現調試。而SAL-10型機旁監控箱配套的人機交互界面程序則采用在VS2010開發平臺上建立的MFC應用工程，在開發完成后可直接在任意電腦上運行，無需安裝其他支持軟件。如此可以對運行人機交互界面程序的電腦配置要求降低很多，同時在現場調試過程中，可以隨時隨地的在任意電腦上使用人機交互界面進行調試修改，方便了調試工作。

由于柴油機的設計參數在調試過程中不斷地改進，而機旁箱的相關參數也需要隨之更改。隨同機旁監控箱一起作為產品提供給客戶使用的人機交互界面可以簡單便捷地實現這一功能。在用戶使用過程中，可以方便容易的使用人機交互界面自行對參數進行修改并保存，而無需服務人員去現場修改參數，極大地降低了機旁監控箱的維護成本。

3 液晶屏圖形化顯示界面設計

監控系統的液晶屏顯示通常采用表格頁顯示。 利用表格頁顯示界面簡單，程序編寫處理容易，但是用戶使用不方便，需要尋找某個測點相當困難，同時界面也不直接美觀。

SAL-10型機旁監控箱的液晶屏采用圖形化顯示界面（見圖3）。采用柱狀圖顯示模擬量、采用儀表顯示轉速等圖形顯示方式直觀表達監測數據，方便了用戶使用。使用圖形頁的另一大優勢在于可以在遠處查看監測數據的趨勢與大致范圍，這樣就不一定需要走近機旁箱才能讀取了解監測數據。圖形頁顯示同時使得界面更加美觀和人性化。

圖3 液晶屏圖形化顯示界面

4 復合通道設計

對于不同型號柴油機，各種參數類型的通道數量需求不盡相同。例如，8缸柴油機排氣溫度的熱電偶信號為8個，而6缸柴油機排氣溫度的熱電偶信號就只有6個。為了解決這一問題。滿足不同型號規格的柴油機的測點需求，SAL-10型機旁監控箱采用了復合通道設計。使得各種類型參數無論數量多少，只要柴油機總測點數小于采集通道數，就能滿足監測全部參數要求。

4.1 復合通道輸入單元

復合通道輸入單元是基于ADI公司的AD7794芯片實現電壓、電流、熱電阻和熱電偶的復合通道采集。復合通道輸入單元通過程序控制切換輸入通道，根據輸入通道的不同類型，切換到相應的AD采樣通道，實現復合通道的模擬量采集，最后通過SPI總線接口，經由光耦芯片隔離，直接送到CPU的FPGA芯片內的狀態寄存器，最后由CPU卡將數據存放至FPGA的BRAM中。

AD7794是一款24位Σ-Δ型ADC，內置片內PGA，可以直接處理來自傳感器的小信號輸入。由于AD7794具有2路差分信號采集通道和2路單端信號采集通道，所以可同時采集電壓、電流、熱電阻和熱電偶信號(見圖4)。

圖4 復合通道輸入單元硬件連接框圖

AD7794還可以通過程序控制其均方根噪聲和輸出更新速率以及失調誤差漂移，這樣使得在采樣處理程序中無需進行軟件濾波，加快采樣更新速率。

4.2 復合通道模擬量輸出單元

4mA～20mA輸出單元是基于ADI公司的AD5422芯片實現4mA～20mA信號輸出，該單元將來自CPU輸入數字數據，通過SPI總線接口，經光藕芯片隔離直接送至AD5422芯片實現數字模擬轉換，輸出4mA～20mA信號（見圖5）。AD5422是一款16位DAC，可以通過程序控制其輸出4mA～20mA、0mA～20mA、0 V～5V，0 V～10V，±5V和±10 V。

圖5 4mA～20mA輸出單元硬件連接框圖

5 結論

由于采用了復合通道設計，SAL-10型機旁監控箱通過調整配置參數，已經成功地應用于廣州柴油機廠的各種柴油機，包括G32型、230型、320型、氣體機等各種機型。同時在與柴油機配機聯合調試過程中，由于運用了人性化的配置軟件與液晶顯示屏，使得配機試驗在調試人員不參與的情況下就可完成，方便了配機試驗。下一步，SAL-10型機旁監控箱不僅將擴大所應用的柴油機類型范圍，更將應用于齒輪箱等其他設備的監控系統。

[1] 徐筱欣. 船舶動力裝置[M]. 上海: 上海交通大學出版, 2005.

[2] 鄭明勇. 船舶柴油機機旁監控裝置的研制[D]. 武漢:武漢理工大學, 2011.

[3] 吳卓成, 黃文君. 船用柴油機智能報警監控系統的設計[J]. 中國造船, 2009, 50 (3): 146-150.

[4] 張永洋, 潘羅坤, 戴 樂. 艦船柴油機數字化智能化監控系統發展及應用研究[J]. 艦船電子工程, 2010,30(12): 20-24.

[5] 陳衛峰, 竇振中, 朱少林. 船用柴油機運行參數實時采集系統的設計[J]. 儀表技術與傳感器, 2009 (4):46-48.

[6] Martin Kaszynski, Oliver Sawodny. Modeling and identifieation of a built-in turbocharged diesel engine using standardized on-board measurement signals[C]//17th IEEE Initernational Conference on Control Applications Part of 2008 IEEE Multi-conference on Systems and Control San Antonio,Texas, USA, September3-5, 2008.

Design of SAL-10 Type Monitoring and Control Bos Next Diese Engine Based on Composite Channel

SHI Bin-jie, DOU Jin-song, HUANG Tao, LI Wen-rong
(No.711 Research Institute, CSIC, Shanghai 201108, China)

The SAL-10 type monitoring and control box next to diesel engine is based on XILINX's XC3S500E-FG320 FPGA as a control system of intelligent monitoring. It can realize the complex logical control and monitoring of all parameters for diesel engine.Matching man-machine interface can realize online settings and other basic function of the attributes of various parameters for monitoring and control box next to diesel engine, and the humanized interface operability is designed.. According to the different characteristics of different measuring points of diesel engine, the composite channel is designed. No matter how much the number of various types of parameters, as long as measuring points for diesel engine is less than the number of collection channels, which can meet the requirements of monitoring all parameters.

compound channel; monitoring and control box; diesel engine

TK428;U665.121

A

中船重工第七一一研究所自動化部發展基金項目。

史斌杰（1987-），男，助理工程師，研究方向為船舶監控系統與自動化。